CN110116267A - 一种激光扫描装置及激光扫描光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例是关于一种激光扫描装置及激光扫描光学系统。该激光扫描装置包括激光发生器、第一折射镜、第二折射镜、第三折射镜、振镜以及驱动装置，其中，所述激光发生器用以发射一激光束；所述第一折射镜靠近所述激光发生器发射激光束的一侧；所述第二折射镜与所述第三折射镜位于所述第一折射镜和振镜之间，且间隔第一预设距离；所述驱动装置与所述第一折射镜连接，用以驱动所述第一折射镜沿所述激光束的光路方向进行往复移动第二预设距离。本发明实施例可以使得聚焦至工作平面内的激光光斑尺寸更接近预期目标，在一定程度上减小了激光扫描装置的误差，使得扫描结果更加精确。

Description

一种激光扫描装置及激光扫描光学系统

技术领域

本发明实施例涉及激光聚焦技术领域，尤其涉及一种激光扫描装置及激光扫描光学系统。

背景技术

激光扫描装置可广泛应用于激光打标、激光雕刻以及激光加工等领域。相关技术中，能变焦的激光扫描装置通常要依赖于序列光线追迹模式下的成像光学设计，即忽略入射激光本身的光束发散角、强度分布等光束特性，将入射激光近似为平行光。

关于上述技术方案，发明人发现至少存在如下一些技术问题：例如激光扫描装置实际的聚焦光斑尺寸会偏离预期设计指标，使用时还需要依赖经验对扫描结果进行补偿修正，费时费力。因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种激光扫描装置及激光扫描光学系统，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种激光扫描装置，包括激光发生器、第一折射镜、第二折射镜、第三折射镜、振镜以及驱动装置；其中：

所述激光发生器，用以发射一激光束；

所述第一折射镜，靠近所述激光发生器发射激光束的一侧，用以将所述激光束发散形成发散激光束；

所述第二折射镜与所述第三折射镜位于所述第一折射镜和振镜之间，且间隔第一预设距离；其中，所述发散激光束依次通过所述第二折射镜与所述第三折射镜汇聚后照射至所述振镜的镜片表面，并由所述振镜的镜片表面反射至工作面；

所述驱动装置，与所述第一折射镜连接，用以驱动所述第一折射镜沿所述激光束的光路方向进行往复移动第二预设距离；所述第一折射镜、所述第二折射镜和所述第三折射镜分别具有预设焦距。

本发明的一实施例中，所述第一折射镜为负透镜，所述第二折射镜和所述第三折射镜为正透镜。

本发明的一实施例中，所述第一折射镜的有效通光直径大于所述激光束的光斑直径。

本发明的一实施例中，所述第二预设距离小于50mm。

本发明的一实施例中，所述第一折射镜的预设焦距为-25mm～-5mm。

本发明的一实施例中，所述第二折射镜的预设焦距为100mm～200mm。

本发明的一实施例中，所述第三折射镜的预设焦距为125mm～225mm。

本发明的一实施例中，所述第一折射镜和所述第二折射镜之间的间距为50mm～150mm；和/或，所述第二折射镜和所述第三折射镜之间的所述第一预设距离为0.1mm～50mm。

本发明的一实施例中，所述第三折射镜和所述振镜之间的间距为5mm～500mm；和/或，所述振镜和所述工作面之间的间距为10mm～5000mm。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种激光扫描光学系统，包括如上述任一项实施例所述的激光扫描装置。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明的实施例中，一方面考虑了激光发生器发射出的激光的实际光束特性，并通过第一折射镜将激光束发散形成发散激光束，再使得发散激光束依次通过第二折射镜与第三折射镜进行汇聚，之后才经过振镜的镜片表面反射至工作面；另一方面，通过驱动装置驱动第一折射镜沿激光束的光路方向进行往复移动，实现激光束的变焦，进而使得聚焦至工作平面内的激光光斑尺寸更接近预期目标，在一定程度上减小了激光扫描装置的误差，使得扫描结果更加精确。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本发明示例性实施例中激光扫描装置结构示意图；

图2示出本发明示例性实施例中聚焦至工作平面上的激光截面光强度分布图；

图3示出本发明示例性实施例中聚焦至工作平面上的激光光斑分布图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本发明实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

激光加工过程首先是一个热变化过程，激光器发出的能量聚焦于很小的靶区，并将热量传递给被加工的材料，激光加工过程高度依赖于材料所能吸收的能量。加工过程的效率往往是辐照度的平方或立方的函数。可以断定，工件上聚焦光斑的总能量和能量空间分布是加工过程的成功关键，而且工件对激光束空间能量分布形状的变形非常敏感。因此，聚焦光斑的尺寸等偏离预期设计指标，势必会对最终的工艺结果带来较大的误差。后续过程中，依赖经验通过增加场镜等方式进行补偿修正，费时费力。

本示例实施方式中首先提供了一种激光扫描装置。参考图1中所示，该激光扫描装置可以包括激光发生器100、第一折射镜200、第二折射镜300、第三折射镜400、振镜500以及驱动装置600。其中，激光发生器100用以发射一激光束，第一折射镜200靠近激光发生器100发射激光束的一侧，用以将激光束发散形成发散激光束。第二折射镜300与第三折射镜400位于第一折射镜200和振镜500之间，且间隔第一预设距离，其中，发散激光束依次通过第二折射镜300与第三折射镜400汇聚后照射至振镜500的镜片表面，并由振镜500的镜片表面反射至工作面700。驱动装置600与第一折射镜200连接，用以驱动第一折射镜200沿激光束的光路方向进行往复移动第二预设距离。此外，第一折射镜200、第二折射镜300和第三折射镜400分别具有预设焦距。

上述激光扫描装置，一方面考虑了激光发生器发射出的激光的实际光束特性例如光斑尺寸、发射角等，并通过第一折射镜将激光束发散形成发散激光束，再使得发散激光束依次通过第二折射镜与第三折射镜进行汇聚，之后才经过振镜的镜片表面反射至工作面；另一方面，通过驱动装置驱动第一折射镜沿激光束的光路方向进行往复移动，实现激光束的变焦，进而使得聚焦至工作平面内的激光光斑尺寸更接近预期目标，在一定程度上减小了激光扫描装置的误差，使得扫描结果更加精确。

下面，将参考图1至图3对本示例实施方式中的上述激光扫描装置的各个部分进行更详细的说明。

在一个实施例中，如图1所示，激光发生器100可以包括但不限于固体激光器、光纤激光器及半导体激光器。驱动装置600可以是直驱电机连接丝杠，再与第一折射镜200连接，电机运转的同时由丝杠带动第一折射镜200沿激光束的光路方向进行往复移动，从而实现变焦。而振镜500可以是单一方向即X方向或Y方向进行的扫描，也可以是两个方向即X方向和Y方向上进行的扫描，本公开对此不做限制，可按照具体的需求进行设置。例如，在一个具体的示例中，振镜500进行X方向和Y方向的扫描，其中振镜的旋转角度由目标工作位置和工作距离计算得到。

在一个实施例中，第一折射镜200为负透镜，第二折射镜300和第三折射镜400为正透镜。负透镜为中间薄周边厚的透镜，具有发散光的能力，而正透镜是中间厚、周边薄的透镜，具有会聚光的能力。此外，由于负透镜用以将激光束发散形成发散激光束，两个正透镜用于汇聚发散激光束，因此，第一折射镜200相比第二折射镜300、第三折射镜400的直径会较小，质量也更轻，驱动装置带动第一折射镜200进行移动时具有更高的速度和精度。进一步提高了整个激光扫描装置的精度。

在一个具体的示例中，第一折射镜200、第二折射镜300和第三折射镜400的镜面形状可以为球面或非球面，其制作材料可以是玻璃、塑料、石英等透光材料。第一折射镜200、第二折射镜300和第三折射镜400的实际直径不小于有效通光直径。

在一个实施例中，第一折射镜200的有效通光直径大于激光束的光斑直径，以保证激光发生器100发射出的激光束可以全部通过第一折射镜200。第二折射镜300和第三折射镜400的有效通光直径可根据激光发生器100发射出的激光束的光斑直径、发散激光束的发散角以及预期目标的聚焦光斑尺寸，采用光学扩展量守恒原理进行计算。

在一个实施例中，基于光学变焦曲线进行计算，第二预设距离小于50mm。即在靠近激光发生器100一侧的该距离内进行往复移动第一折射镜200，可以更好地实现激光束的变焦，进一步使得聚焦至工作平面内的激光光斑尺寸接近预期目标，减小了激光扫描装置的误差，使得扫描结果更加精确。

在一个实施例中，第一折射镜200的预设焦距为-25mm～-5mm，第二折射镜300的预设焦距为100mm～200mm，第三折射镜400的预设焦距为125mm～225mm，以使得最终由振镜500的镜片表面反射至工作面700上的激光束具有更加适合扫描的能量。

基于上述实施例，在一个示例中，第一折射镜200和第二折射镜300之间的间距为50mm～150mm，第三折射镜400和振镜500之间的间距为5mm～500mm。在又一个示例中，第二折射镜300和第三折射镜300之间的第一预设距离为0.1mm～50mm，振镜500和工作面700之间的间距为10mm～5000mm。通过对第一折射镜200和第二折射镜300之间间距、第三折射镜400和振镜500之间间距、第二折射镜300和第三折射镜300之间间距以及振镜500和工作面700之间间距的上述参数设置，可更好地调整激光光斑尺寸和/或能量，经试验可进一步使得聚焦至工作平面内的激光光斑尺寸接近预期目标，减小激光扫描装置的误差，提高激光扫描装置的精确性。

选取一个具体的实施例，采用蒙特卡洛光线追迹法进行仿真验证：

本示例中，激光发生器100选用固体激光发生器，发射光斑直径为2mm，光束发散半角为0.3mrad的激光。第一折射镜200为负透镜，焦距为-9.5mm，有效通光直径为2mm，材料为熔石英。第二折射镜300为正透镜，焦距为160mm，有效通光直径为20mm，材料为熔石英。第三折射镜400为正透镜，焦距为190mm，有效通光直径为21mm，材料为熔石英。其中，第一折射镜200和第二折射镜300的间距为80mm，第二折射镜300和第三折射镜400的间距为2mm，第三折射镜400和振镜500的间距为50mm，振镜500和目标工作面700的间距为1000mm。直驱电机600驱动第一折射镜200的前后位置变化范围为-1mm～1mm，相应的聚焦光学系统后截距长度变化范围为950mm～1230mm。

根据光学扩展量守恒原理进行计算，目标聚焦光斑直径约为0.063mm。

利用实际发射激光光束的光源模型，采用蒙特卡洛光线追迹法进行仿真验证。激光截面光强度分布为高斯分布，激光功率归一化为1W，仿真得到的激光截面光强度的分布如图2所示。仿真得到的目标工作平面内的激光光斑分布如图3所示，激光光斑的直径约为0.06mm，与理论计算值0.063mm接近，达到设计要求。

本示例实施方式中还提供了一种激光扫描光学系统，包括上述实施例任一项所述的激光扫描装置，具体实施方式与上述实施例类似，在此不做赘述。

需要理解的是，上述描述中的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种激光扫描装置，其特征在于，包括激光发生器、第一折射镜、第二折射镜、第三折射镜、振镜以及驱动装置；其中：

所述激光发生器，用以发射一激光束；

所述第一折射镜，靠近所述激光发生器发射激光束的一侧，用以将所述激光束发散形成发散激光束；

所述第二折射镜与所述第三折射镜位于所述第一折射镜和振镜之间，且间隔第一预设距离；其中，所述发散激光束依次通过所述第二折射镜与所述第三折射镜汇聚后照射至所述振镜的镜片表面，并由所述振镜的镜片表面反射至工作面；

所述驱动装置，与所述第一折射镜连接，用以驱动所述第一折射镜沿所述激光束的光路方向进行往复移动第二预设距离；所述第一折射镜、所述第二折射镜和所述第三折射镜分别具有预设焦距。

2.根据权利要求1所述激光扫描装置，其特征在于，所述第一折射镜为负透镜，所述第二折射镜和所述第三折射镜为正透镜。

3.根据权利要求2所述激光扫描装置，其特征在于，所述第一折射镜的有效通光直径大于所述激光束的光斑直径。

4.根据权利要求3所述激光扫描装置，其特征在于，所述第二预设距离小于50mm。

5.根据权利要求4所述激光扫描装置，其特征在于，所述第一折射镜的预设焦距为-25mm～-5mm。

6.根据权利要求5所述激光扫描装置，其特征在于，所述第二折射镜的预设焦距为100mm～200mm。

7.根据权利要求6所述激光扫描装置，其特征在于，所述第三折射镜的预设焦距为125mm～225mm。

8.根据权利要求1～7任一项所述激光扫描装置，其特征在于，所述第一折射镜和所述第二折射镜之间的间距为50mm～150mm；和/或，所述第二折射镜和所述第三折射镜之间的所述第一预设距离为0.1mm～50mm。

9.根据权利要求8所述激光扫描装置，其特征在于，所述第三折射镜和所述振镜之间的间距为5mm～500mm；和/或，所述振镜和所述工作面之间的间距为10mm～5000mm。

10.一种激光扫描光学系统，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述激光扫描装置。